20世紀(jì)七十年代，英國學(xué)者Weinberg提出了超焓絕熱燃燒的概念，其分析指出該燃燒工況的實(shí)現(xiàn)依賴于能否將產(chǎn)物的熱量通過燃燒系統(tǒng)傳輸?shù)嚼涞姆磻?yīng)物流中，形成總體上熱量“零損失”的燃燒過程。隨后多孔介質(zhì)燃燒的研究進(jìn)入實(shí)質(zhì)性階段，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了材料特性、阻力特性、換熱特性、燃燒穩(wěn)定性、燃燒速率、輻射輸出與污染物排放等方面的研究。
與此同時(shí)，新的多孔介質(zhì)材料金屬纖維在燃燒領(lǐng)域的應(yīng)用，將多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)與表面燃燒技術(shù)相結(jié)合，開始廣泛進(jìn)入國內(nèi)外燃燒器研究范圍。金屬纖維燃燒器相比一般的陶瓷材料多孔介質(zhì)燃燒器在工作原理上具有一致性，但在燃燒特性上又具有一些差別，諸多國內(nèi)外研究表明，其獨(dú)特的快速反應(yīng)性、快速冷卻性、形狀可變性、熱膨脹的可控性、紅外線輻射、熱效率、氮化物排放量方面具備更強(qiáng)的適應(yīng)性。該類型燃燒器的出現(xiàn)，對(duì)食品烘干、紙張干燥、瀝青路面加熱、紡織以及大鍋灶、熱水器等行業(yè)具有巨大推動(dòng)作用，存在廣闊的市場(chǎng)前景。
金屬纖維燃燒器工作原理
預(yù)混好的燃?xì)饪諝饣旌衔锪鹘?jīng)分流板，遇到金屬纖維下表面后滲透進(jìn)入。當(dāng)氣流達(dá)到著火溫度后進(jìn)行燃燒反應(yīng)，火焰錨定于金屬纖維表面或內(nèi)部，從而以輻射和對(duì)流換熱方式向外傳熱。若燃?xì)夂涂諝饣旌系帽容^好，燃燒將在金屬纖維內(nèi)部穩(wěn)定進(jìn)行，來流氣體對(duì)金屬纖維下表面不斷沖刷起到冷卻作用，并與傳播速率達(dá)到平衡。
燃燒器可根據(jù)需要調(diào)節(jié)成兩種不同的工作狀態(tài)：纖維內(nèi)部進(jìn)行的紅外輻射方式、纖維表面上進(jìn)行的藍(lán)焰燃燒方式?；鹧娲嬗诶w維內(nèi)部時(shí)，纖維被加熱到白熾狀態(tài)，熱量主要以輻射方式釋放到外界環(huán)境；當(dāng)來氣速率較高，在脫火極限內(nèi)，將火焰推至纖維表面時(shí)，火焰變?yōu)樗{(lán)色，呈波浪形浮于纖維表面，此時(shí)熱量主要以對(duì)流換熱方式進(jìn)行釋放。
兩種燃燒狀態(tài)
低負(fù)載時(shí)，燃燒在金屬纖維內(nèi)產(chǎn)生，對(duì)外傳熱以輻射為主。高負(fù)載下，火焰會(huì)浮在在金屬纖維表面上，對(duì)外傳熱轉(zhuǎn)為以對(duì)流為主。由于不同工況下有著不同的燃燒狀態(tài)，金屬纖維表面燃燒器可以應(yīng)用于不同行業(yè)領(lǐng)域。
超低NOx排放
一般來說，天然氣燃燒過程中主要生成的是熱力型氮氧化物。而為了降低熱力型NOx排放量，可以從三個(gè)方面著手：減小爐膛內(nèi)的局部高溫區(qū)、降低爐膛內(nèi)的過剩氧氣系數(shù)以及縮短混合氣體在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間。
首先，由于金屬纖維燃燒頭的均流作用，爐膛內(nèi)火焰分布非常均勻。同時(shí)燃燒后煙氣與金屬纖維存在著強(qiáng)烈的對(duì)流換熱，出口煙氣溫度迅速下降，爐膛中不存在局部高溫區(qū)。因此熱力型氮氧化物的生成被極大地抑制。其次，由于表面燃燒器采用全預(yù)混的燃燒方式，并且在不同負(fù)載下空燃比可以隨之調(diào)整，所以整個(gè)過程中過?？諝庀禂?shù)非常低，快速型氮氧化物的生成得到了抑制。最后，由于全預(yù)混表面燃燒燃燒速度快，混合氣體在爐膛停留時(shí)間極為短暫，這也導(dǎo)致了氮氧化物生成量的減少。
機(jī)身結(jié)構(gòu)緊湊
預(yù)混氣體在多孔介質(zhì)孔隙中完成燃燒，火焰高度較擴(kuò)散式燃燒而言極短，整體爐膛尺寸較小。同時(shí)金屬纖維燃燒頭可以配合工程需要加工成各類形狀，進(jìn)一步使得機(jī)身結(jié)構(gòu)緊湊化。
燃燒強(qiáng)度高
普通燃?xì)馊紵鞯呢?fù)載增加到一定程度，氣體噴出速度會(huì)超過火焰速度，發(fā)生脫火現(xiàn)象。而由于金屬纖維對(duì)于氣體的擾流作用，強(qiáng)化了空氣與燃?xì)獾馁|(zhì)量傳遞，造成其火焰?zhèn)鞑ニ俣冗h(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)擴(kuò)散式燃燒，燃燒強(qiáng)度大大提高。高燃燒強(qiáng)度有利于減小設(shè)備體積與使用成本。
安文旗等人研究了煙氣再循環(huán)對(duì)金屬纖維表面燃燒器燃燒穩(wěn)定性的影響
如圖2所示，隨煙氣再循環(huán)率逐漸增大，金屬纖維表面燃燒器周圍火焰由藍(lán)焰逐漸變?yōu)榈撞克{(lán)焰上部黃焰的狀態(tài)，黃焰的長(zhǎng)度增加且出現(xiàn)波動(dòng)，最終火焰出現(xiàn)振幅較大的波動(dòng)型震動(dòng)，進(jìn)而爐膛震動(dòng)，火焰吹熄。在圖3中，隨著負(fù)荷的增大，出現(xiàn)爐膛震動(dòng)的煙氣再循環(huán)率極限值逐漸提高。負(fù)荷46%時(shí)，煙氣再循環(huán)率增加至9%即開始出現(xiàn)爐膛震動(dòng)，爐膛內(nèi)火焰抖動(dòng)，不完全燃燒加劇，檢測(cè)到煙氣中CO質(zhì)量濃度急劇增大。高負(fù)荷時(shí)，表面金屬纖維面積熱強(qiáng)度更大，提高了火焰溫度，有助于穩(wěn)定火焰。煙氣再循環(huán)使得助燃?xì)怏w氧含量降低影響了燃燒穩(wěn)定性。此外，本實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，外部煙氣再循環(huán)通過外部管道將爐膛內(nèi)的壓力波動(dòng)傳遞給了助燃空氣，加劇了燃燒器火焰的波動(dòng)，進(jìn)而造成燃燒不穩(wěn)定。
